電磁的吸収性環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法および装置

著者らは特許

A61B - 診断;手術;個人識別(生物学的材料の分析G01N,例.G01N33/48)
A61B5/0093 - 拡開可能な室,例.ベローまたは膨脹可能なバッグ,に吐出したガス,またはそれから吸入したガスの測定
A61B5/0095 - 堅い容器内にガスを出し入れするもの,例.液体表面により形成される境界をもつもの
G01N21/17 - 調査される材料の特性に応じて入射光が変調されるシステム(調査される材料が光学的に励起され入射光の波長に変化を起すシステムG01N21/63)

の所有者の特許 JP2016517743:

サントル・ナシオナル・ド・ラ・ルシェルシュ・シアンティフィックCentre National De La Recherche Scientifique
エコル、サントラル、ド、マルセイユEcole Centrale De Marseille
ユニベルシテ デクス マルセイユ

 

電磁的吸収性環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法が提供され、この方法は、ソースから少なくとも1つの電磁励起信号を放出するステップ(100)と、この励起信号の放出から生じる音響信号を音響センサで受信するステップ(102)と、受信された音響信号で、励起信号に対する第1の応答の第1の受信時刻を検出するステップ(106)であって、この第1の応答が、環境内の標的の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる、ステップ(106)と、この第1の受信時刻を使用して標的と音響センサとの間の第1の距離を推定するステップと、受信された同じ音響信号で、励起信号に対する第2の応答の第2の受信時刻を検出するステップ(108)であって、この第2の応答が、環境内の標的の音響異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる、ステップ(108)と、この第2の受信時刻を使用してソースと標的との間の第2の距離を推定するステップ(112、114)と、第1の推定距離および第2の推定距離から標的の位置を得るステップ(116)と、を含む。

 

 

本発明は、電磁的吸収性環境(electromagnetically absorbent environment)内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法に関する。本発明は、生体組織(biological tissues)内の腫瘍を検出しその位置を特定するための対応するコンピュータプログラムおよび装置、ならびにこの方法の適用にも関する。
本発明は、より詳細には、電磁的吸収性環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法に該当し、この方法は、
少なくとも1つのソースから少なくとも1つの電磁励起信号を放出するステップと、
この励起信号の放出から生じる音響信号を少なくとも1つの音響センサで受信するステップと、
音響センサで受信された音響信号で、励起信号に対する応答の受信時刻を検出するステップであって、この応答が、環境内の標的の電磁異種性(electromagnetic heterogeneity)によって引き起こされた音響じょう乱(acoustic disturbance)から生じる、ステップと、
この受信時刻を使用して標的と音響センサとの間の距離を推定するステップと
を含む。
したがって、本発明の状況は、これらの異種性とは異なる電磁特性および音響特性を特徴とする環境に埋め込まれた異種性(または標的)の位置の特定に適用される光音響画像(optoacoustic imagery)、(光音響画像(photoacoustic imagery)とも称される)または熱音響画像(thermoacoustic imagery)の状況である。これは、例えば、生体組織内の腫瘍などの異種性の場合である。したがって、光音響画像または熱音響画像は、特に、この画像が非侵襲性または非電離性であると見なされるため、現在、生物医学分野でそれ自体急速に成長している。光音響画像または熱音響の画像の原理は、例えば、Physics in Medicine and Biology、第54巻、R59〜R97ページ、2009年に掲載されたC.LiおよびL.Wangの「Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine」という名称の論文に記述されている。
光音響画像または熱音響画像の現在の技法は、電磁励起信号がソースから放出されたときに、電磁的吸収性でありかつ(光音響画像の観点から)拡散するまたは(熱音響画像の観点から)回折する環境内での標的の電磁異種性によって引き起こされる局所音響じょう乱の瞬時発生を利用する。より正確には、放出される電磁エネルギーは、観察される環境内で部分的に吸収されることにより熱的に消散され、これが環境の膨張を引き起こす。特に、標的の電磁異種性は膨張異種性を局所的に引き起こし、膨張異種性は、この異種性を示す局所音響じょう乱を次々に発生させる。
この局所音響じょう乱は、音響センサ上で、標的と音響センサとの間の距離を意味する、励起信号の放出に関する遅延を有する応答の形で検出される。したがって、この距離は、音響センサによる前述の応答の受信時刻を使用して推定することができる。実際、光音響画像または熱音響画像は上記特性を使用しており、この特性によれば、標的上での音響じょう乱の発生は、ソースから光速(電磁伝搬の速度)に近い速度で、またはどんな場合でも環境内での音速に比べて非常に高い速度で行われるが、標的から音響センサまでの音響じょう乱の伝搬は音の速度で行われる。したがって、受信を放出と同期させ、環境内の音速を知ることにより、標的と音響センサとの間の距離は、励起信号の放出とこの信号に対する応答の受信との間に経過している時間から簡単に導出される。
したがって、中心が音響センサであり半径が推定距離である球の三次元空間内の標的の位置を特定することが可能である。しかし、標的の位置をより正確に特定するために、複数の放出〜受信が必要である。したがって、現在の技術は、標的の位置特定を可能にするために、信号の取り込みおよび処理におけるある程度の複雑性を包含している。さらに、これらの技術は一般にトモグラフィ画像(tomographic imagery)のより一般的な原理に組み入れられるので、これらの技術の複雑性は、トモグラフィ再構成におけるより大きな複雑性も引き起こすことになる。
1つの解決法が、必要な放出/受信の数を制限するために、光音響技術または熱音響技術と、例えば純超音波技術とを組み合わせることである。この種の解決法は、Photons Plus Ultrasound:Imaging and Sensing 2012、Proceedings of SPIE、第8223巻、2012年に掲載されたJ.Zalevらの「Clinical feasibility study of combined optoacoustic and ultrasonic imaging modality providing coregistered functional and anatomical maps of breast tumors」という名称の論文に提案されている。この解決法は技術的に依然として複雑である。というのは、この解決法は2つの近いが別個の技術を組み合わせているからである。
さらに、現在の光音響または熱音響画像技術は、励起信号の放出から生じる音響信号の使用を、標的の電磁不均一性(electromagnetic inhomogeneity)に限定している。特に標的が位置している環境自体が音響的に不均一であるときに、この特性に集中するために、音響センサの帯域幅を制限すること、または環境の照明に対して垂直な幾何学的構成で音響測定を行うことにより、この問題を解決することも教示されている。このことは、Journal of Biomedical Optics、第14(2)巻、024007−1〜024007−14ページ、2009年3月/4月に掲載されたS.Ermilovらの「Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer」という名称の論文に開示されている。しかしながら、励起信号に対する他の応答が、音響センサによって受信される信号内に存在しているので、異なる技術を組み合わせたものに頼るのではなく使用されることを恐らく保証するであろう。したがって、例えば、電磁不均一性が放出ソースと環境との間に存在するが、電磁不均一性は、従来技術の前述の文献には使用されていない。
しかしながら、国際特許出願第2011/096198(A1)号パンフレットでは、環境に対するソースの電磁不均一性が使用され、より正確にはソースの光学不均一性が使用される。このことは、環境内の標的の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる応答に加えて、環境に対するソースの光学異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる別の応答を検出することにつながる。この別の応答は、ソースから音響センサまで、環境内を音速で伝搬する。ソースを音響センサから隔てる距離を知ることにより、環境内の音速の推定がこのことから導出される。したがって、この解決法により、標的を音響センサから隔てる距離を推定するために、環境内での音速のアプリオリ(a priori)な知識なしで済ますことが可能になる。しかし、この場合もやはり、標的の位置をより正確に特定するために、複数の放出〜受信が必要であるので、この技術を複雑なものにする。
国際特許出願第2011/096198(A1)号パンフレット
Physics in Medicine and Biology、第54巻、R59〜R97ページ、2009年に掲載されたC.LiおよびL.Wangの「Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine」
Photons Plus Ultrasound:Imaging and Sensing 2012、Proceedings of SPIE、第8223巻、2012年に掲載されたJ.Zalevらの「Clinical feasibility study of combined optoacoustic and ultrasonic imaging modality providing coregistered functional and anatomical maps of breast tumors」
Journal of Biomedical Optics、第14(2)巻、024007−1〜024007−14ページ、2009年3月/4月に掲載されたS.Ermilovらの「Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer」

このため、前述の問題および制約の少なくとも一部を解決することを可能にする、環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法を提供することが所望され得る。
したがって、電磁的吸収性環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定する方法が提案され、この方法は、
少なくとも1つのソースから少なくとも1つの電磁励起信号を放出するステップと、
この励起信号の放出から生じる音響信号を少なくとも1つの音響センサで受信するステップと、
音響センサで受信された音響信号で、励起信号に対する第1の応答の第1の受信時刻を検出するステップであって、この第1の応答が、環境内の標的の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる、ステップと、
この第1の受信時刻を使用して、標的と音響センサとの間の第1の距離を推定するステップと
を含み、
音響センサで受信された同じ音響信号で、励起信号に対する第2の応答の第2の受信時刻を検出する特徴であって、この第2の応答が、環境内の標的の音響異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる、特徴と、
この第2の受信時刻を使用して、ソースと標的との間の第2の距離を推定する特徴と、
第1の推定距離および第2の推定距離から標的の位置を得る特徴と
をさらに含む。
環境内の標的の音響異種性を使用することにより、本発明による位置を特定する方法は、既存の技術を非常に大幅に改善することを可能にする。実際、このことは、環境内の標的の電磁異種性によって引き起こされた第1の音響じょう乱から生じる第1の応答に加えて、標的の音響異種性によって引き起こされた第2の音響じょう乱から生じる第2の応答を検出することにつながる。第2の音響じょう乱はソース上で発生し、環境内を音速でソースから標的へと伝搬し、次いで同じく環境内を音速で標的から音響センサへと伝搬し続ける。したがって、受信を放出と同期させ、環境内の音速を知ることにより、ソース〜標的〜センサの経路の長さは、励起信号の放出と前述した第2の応答の受信との間に経過している時間から簡単に導出される。第1の応答のおかげでさらに標的とセンサとの間の距離が分かるので、ソースと標的との間の距離は第2の応答の受信時刻を使用して導出される。ソースと標的との間の距離は、第1の受信時刻と第2の受信時刻との間に経過した時間を使用して、直接導出することもできる。したがって、単一放出で、環境内の標的の位置をより正確に特定するために、2つの情報、すなわち、ソースと標的との間の距離および標的とセンサとの間の距離が利用できる。したがって、定数の放出〜受信で、より良い位置特定が得られる。あるいは、標的の所望の位置特性精度に対して、放出〜受信の数を減らすことが可能になる。
随意に、
標的と音響センサとの間の距離の推定は、標的と音響センサとの間の第1の応答の第1の飛行時間に、環境内での音波速度の所定の値を乗算することによって行われ、
第1の飛行時間は、励起信号の放出時刻と第1の受信時刻との間の経過時間であるものとして推定される。
また随意に、
ソースと標的との間の距離の推定は、ソースと標的との間の第2の応答の第2の飛行時間に、環境内での音波速度の所定の値を乗算することによって行われ、
第2の飛行時間は、一方の、励起信号の放出時刻と第2の受信時刻との間の経過時間と、他方の第1の飛行時間と、の間の差であるものとして推定される。
また随意に、三次元空間内の標的の位置の特定は、2つの球の交差によって得られ、第1の球は、音響センサを中心として有し、第1の距離を半径として有し、第2の球は、ソースを中心として有し、第2の距離を半径として有する。
また随意に、放出される励起信号は、変調された周波数および/または強度を有する光源から来る光信号であり、励起信号に対する2つの応答は、環境内の標的の二重の光学および音響異種性によって引き起こされた2つの音響じょう乱から生じるパルス応答である。
また随意に、本発明による少なくとも1つの標的の位置を特定する方法は、
標的が位置する環境の周囲に分散された複数のソースから電磁励起信号を放出するステップと、
これらの励起信号の放出から生じる音響信号を、標的が位置する環境の周囲に分散された複数の音響センサで受信するステップと、
標的の得られた位置を使用して、標的が位置する環境内の標的の画像をトモグラフィ再構成するステップと
を含む。
また随意に、ソースおよび音響センサは、標的が位置する環境の周囲の円上に等間隔で分散される。
生体組織内の腫瘍を検出し位置特定するための、本発明による少なくとも1つの標的の位置を特定する方法の適用も提案される。
コンピュータプログラムも提案され、コンピュータプログラムは、通信ネットワークからダウンロードされ、かつ/またはコンピュータで読み取ることができかつ/またはプロセッサで実行することができるサポート上に記録される得るものであり、前記プログラムがコンピュータ上で実行されるときに、本発明による少なくとも1つの標的の位置を特定する方法の上記ステップを実行するための命令を含む。
電磁的吸収性環境内の少なくとも1つの標的の位置を特定するための装置も提案され、この装置は、
少なくとも1つの電磁励起信号を放出するための少なくとも1つのソースと、
この励起信号の放出から生じる音響信号の少なくとも1つの音響センサと、
音響センサで受信された音響信号で、励起信号に対する第1の応答の第1の受信時刻を検出し、第1の応答が、環境内の標的の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じるものであり、この第1の受信時刻を使用して、標的と音響センサとの間の第1の距離を推定するように設計された計算機と
を備え、
計算機は、さらに
音響センサで受信された同じ音響信号で、励起信号に対する第2の応答の第2の受信時刻を検出し、この第2の応答が、環境内の標的の音響異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じるものであり、
この第2の受信時刻を使用して、ソースと標的との間の第2の距離を推定し、
第1の推定距離および第2の推定距離から標的の位置特定を行う
ように設計される。
本発明は、単に例として提供され、添付図面を参照してなされる以下の説明を使用してより良く理解されるであろう。
本発明の一実施形態による、電磁的吸収性環境内の標的の位置を特定するための装置の一般構造を図式的に示す図である。 図1の装置によって実施される方法の一連のステップを示す図である。 図2の方法の一適用例を示す図である。 図1の装置用の放出/受信システムの一例の一般構造を図式的に示す図である。 図2の方法を光音響または熱音響画像によるより包括的なトモグラフィ再構成図に統合したものを示す図である。
以下において、光音響場(または光音響場)を純例示的な非制限態様で検討するものとする。
したがって、図1に図式的に示されている装置10は、(光音響画像が検討されるので)光学的に吸収し拡散している環境12内に位置する少なくとも1つの標的Tの位置特定を可能にする光音響画像のための装置である。標的T、例えば、生体組織で構成された観察される環境12内の腫瘍は、環境12内に二重の光学および音響異種性を有し、この二重の光学および音響異種性はさらに、これらの2つの特性の観点から同種である。標的Tのこうした二重の異種性は、標的Tの位置を特定することができるように、場合により標的Tを見ることができるように、装置10によって使用される。
この目的で、位置特定用の装置10は、少なくとも1つの電磁励起信号E、より正確にはこの例では光信号Eを放出する少なくとも1つのソースを備えるエミッタ14を備える。このエミッタ14は、環境12を光学的に照らすとともに、標的Tの環境12内での標的Tの二重の光学および音響異種性と、環境12に対する放出ソースの光学異種性とによって引き起こされる音響じょう乱を発生させるように設計される。したがって、それ自体周知の方法では、光音響画像の一般的原理によれば、エミッタ14は、変調された周波数および/または強度を有する光源であり、例えば、環境12が生体組織である場合、レーザパルス時間幅が約3nsであり、10Hzの繰り返し率および20mJ/cm未満の出力を有する波長1064nmのNd:Yag型のパルスレーザエミッタである。環境12の光学特性に照らして、瞬時生成、すなわち、光速に近い速度で、またはいずれにせよ、環境12内での音速の前の非常に高速で、上述した膨張を示す環境12内の初期圧力分布のCPinitマップがある。次いで、この初期圧力分布は、環境12の音響特性に従って、音速で伝搬する音圧波を発生させる。標的Tなどの環境内の要素が光学的かつ音響的に不均一であると、これらの異種性に対応する音響じょう乱が、励起信号Eの放出から生じる音響信号の受信によって検出され得る。
したがって、位置特定用の装置10は、励起信号Eの放出から生じる音響信号Rの少なくとも1つの音響センサを含むレシーバ16をさらに備える。レシーバ16の1つまたは複数の音響センサは、当業者によく知られているので、音響センサの詳細は提供しない。特に、上述した従来技術の文献を参照されたい。
位置特定用の装置10はさらに、受信信号Rの前処理、例えばフィルタリングおよびデジタル化、ならびにエミッタ14から受信された「同期」信号を使用して、前処理済み信号の同期化を可能にする収集カード18を備える。受信信号Rは、実際、エミッタ14によって放出された各光パルスに対する一定数の音響パルス応答を含み、これらのパルス応答はそれぞれ、詳細が以下で提供されるように、環境12内での電磁異種性、より正確には、この例における光学異種性によって引き起こされる。したがって、励起信号Eの放出時刻に関して受信信号R内に検出され得る音響パルス応答の受信時刻の推定を可能にするために、受信信号Rを励起信号Eに対して同期させることが重要である。
位置特定用の装置10はさらに、環境12の所望の照明に係る信号Cを使用してエミッタ14を制御するとともに、レシーバ16によって受信され、収集カード18によって前処理された信号を解析するために、プログラムされた計算機20を備える。この受信され前処理された信号は、収集カード18の出力にRsと示されている。
図1に図式的に示されているような計算機20は、従来通りにメモリ24(例えばRAMメモリ)に関連する処理ユニット22を備える。
処理ユニット22は、例えば、データファイルおよびコンピュータプログラムを記憶するための1つまたは複数のメモリに関連するプロセッサを備える従来型コンピュータなどのIT装置内に実装することができる。その場合、処理ユニット22は、それ自体が、プロセッサがコンピュータプログラムの形で実行する命令を記憶するためのメモリとして働くメモリ24に関連するこのプロセッサから形成されたものと見なすことができる。
したがって、図1に示されているようなメモリ24は、2つのコンピュータプログラム、または同じコンピュータプログラム26および28の2つの機能を機能的に含む。実際、コンピュータプログラム26および28は分離して示されているが、この違いは純粋に機能的であることに留意されたい。コンピュータプログラム26および28は、可能な組合せのすべてに応じて、1つまたは複数のソフトウェアにグループ化できるので好都合である。コンピュータプログラム26および28の関数は、専用集積回路に少なくとも部分的にマイクロプログラムまたはマイクロワイヤで組み込むこともできる。したがって、代替手段として、計算機20を実装するIT装置は、同じ動作を行うために、もっぱらデジタル回路で構成された電子装置(コンピュータプログラムなし)に置き換えることができる。
第1のコンピュータプログラム26は、処理ユニット22による信号Cの生成を実行するための命令を含む。この種のコンピュータプログラムはよく知られているので、詳細については提供しない。
第2のコンピュータプログラム28は、処理ユニット22による信号Rの解析を実行するための命令を含む。より正確には、これらの命令は、信号Rsの解析により、
励起信号Eに対する第1の応答の第1の受信時刻tであって、この第1の応答が、環境12内の標的Tの光学異種性によって引き起こされた第1の音響じょう乱から生じる、第1の受信時刻tと、
励起信号Eに対する第2の応答の第2の受信時刻tであって、この第2の応答が、環境12内の標的Tの音響異種性によって引き起こされた第2の音響じょう乱から生じる、第2の受信時刻tと、場合により、
励起信号Eに対する第3の応答の第3の受信時刻tであって、この第3の応答が、環境12に対する励起信号Eの放出ソースの光学異種性によって引き起こされた第3の音響じょう乱から生じる、第3の受信時刻t
を検出するように設計される。
第3の時刻tの光学的検出は、例えば、前述の国際特許出願第2011/096198(A1)号パンフレットの教示に従って行われる。第3の時刻tの光学的検出により、励起信号Eの放出ソースと音響信号Rのセンサとの間のSDと示されている距離のアプリオリな知識で、何が環境12内での音波の平均伝搬速度vであるかを決定することが可能になる。励起信号Eの放出時刻としてtを表すことにより、速度vは、下記関係式を用いて推定することができる。
あるいは、速度vは、それが必要ないことを推定するような形で、アプリオリに知られていると見なすことができる。
第1の時刻tの検出は、国際特許出願公開公報第2011/096198(A1)号または上述した従来技術の他の文献の教示に従って行われる。そして、標的から音響センサへの音響じょう乱の伝搬が音速で行われるが、標的上での第1の音響じょう乱の発生がソースから光速に近い速度で行われるようにする特性が、下記計算を実施するために使用される。
、または
上式で、TDは、標的Tと音響信号Rのセンサとの間の距離である。実際、第1の音響じょう乱は時刻tに標的T上で発生し、第1の音響じょう乱が発生する音響応答は、時刻tに音響信号Rのセンサによって受信されることが、非常によく近似して考慮される。
第2の時刻tの検出は、上述した従来技術の文献の教示に反して行われる。これらの文献はどれも、じょう乱(すなわち、前述した第2のじょう乱)が、環境12内での標的の音響異種性が原因で、標的上に発生するようにする特性を使用していない。より悪いことに、従来技術の一部の文献は、一般に除去されるべきアーチファクトとして認識されている環境12内での音響不均一性の効果を抑制するために、とりわけこの第2のじょう乱を抑制するように、音響信号Rにフィルタをかけるよう教示してもいる。対照的に、本発明によれば、標的上での第2の音響じょう乱の発生が、ソースから音速で行われ、次いで標的からセンサへ同じく音速で伝搬するようにする特性が、下記計算を実施するために使用される。
上式で、STは、励起信号Eの放出ソースと標的Tとの間の距離である。実際、第2の音響じょう乱は、時刻tにおいてソース上で発生し、第2の音響じょう乱が発生する音響応答は時刻tにおいて音響信号Rのセンサによって受信される。
距離STの式は、2つの前記計算から導出される。
、または
したがって、時刻t、t、および場合により時刻tを検出した後、第2のコンピュータプログラム28の命令は、
速度vが知られていない場合、詳細が先に提供されている計算に従って、第1の受信時刻t、および場合により第3の受信時刻tを使用して、標的と、音響信号Rの受信センサとの間の距離TDを推定し、
速度vが知られていない場合、詳細が先に提供されている計算に従って、第1の受信時刻t、第2の受信時刻t、および場合により第3の受信時刻tを使用して、励起信号Eの放出ソースと標的との間の距離STを推定し、
先に推定された距離STおよびTDを使用して標的の位置を提供する
ように設計される。
位置の提供は一般に、三次元空間内で、2つの球の交差によって行われ、第1の球は、音響信号Rの受信センサを中心として有し、距離TDを半径として有し、第2の球は、励起信号Eの放出ソースを中心として有し、距離STを半径として有する。これは、環境12の被照明面においてより正確にかつ有利に行うことができ、したがって、2つの球の交差が2つの円の交差になる。これらの2つの円はプリオリな2つの交点を有していて、標的Tの位置に関して疑いが残る。この疑いは、例えば、2つの点の一方が、観察される環境12の外側にあると、別の放出/受信を使用して、あるいはより単純には幾何学的考慮事項を使用して上げることができる。したがって、面で、標的の位置特定は、励起信号Eの単一放出を使用して、曖昧さなしに解決することができる。しかしながら、三次元空間では、3つの球の交差によって、曖昧さなしに位置を解決するために追加の放出が必要となり得る。さらに、音響異種性を有する環境は推定位置の非干渉性を誘発するが、グローバル位置に関する不確実性は、観察される環境12の検査角度を増すことによって、最小限に抑えることができることに留意されたい。
次に、上述した装置10によって実施される環境12内の標的Tの位置を特定する方法について、図2を参照して詳述する。
第1の放出ステップ100の間、光励起信号Eは、計算機20の処理ユニット22によって放出された制御信号CをソースSが受け取り次第、時刻tにおいてエミッタ14のソースSから放出される。
次の受信ステップ102の間、この放出から生じる音響信号Rは、時刻tから少なくとも時刻t、t、および場合により時刻tにかけて、レシーバ16のセンサDによって受信され、次いで収集カード18によって前処理され、収集カード18は、前処理済み音響信号Rsを計算機20の処理ユニット22に送る。
ステップ102に続くオプションの検出ステップ104の間、第3の時刻tが第2のコンピュータプログラム28の実行によって検出される。この検出の原理については図3を参照して詳述する。
ステップ102に続く検出ステップ106の間、第1の時刻tが、第2のコンピュータプログラム28を実行することによって検出される。この検出の原理は、オプションのステップ104の原理と同じである。
ステップ102に続く検出ステップ108の間、第2の時刻tが第2のコンピュータプログラム28を実行することによって検出される。この検出の原理は、オプションのステップ104の原理と同じである。
ステップ106、および場合により該当する場合にオプションのステップ104に続く推定ステップ110の間、標的Tと音響センサDとの間の距離TDは、詳細が先に提供されている計算に従って、第2のコンピュータプログラム28を実行することによって推定される。
ステップ108、および場合により該当する場合にオプションのステップ104に続く推定ステップ112の間、長さST+TDは、詳細が先に提供されている計算に従って、第2のコンピュータプログラム28を実行することによって推定される。
ステップ110および112に続く推定ステップ114の間、ソースSと標的Tとの間の距離STは、長さST+TDからTDを引くことにより、第2のコンピュータプログラム28を実行することによって推定される。あるいは、2つのステップ112および114における計算を進める代わりに、距離STは、詳細が先に提供されている計算に従って、時刻tおよびt(および場合によりt)を使用して、直接計算され得ることに留意されたい。
最終的に、最後の位置特定ステップ116の間、球または円の交差による標的Tの幾何学的位置特定が、推定距離STおよびTDを使用して、第2のコンピュータプログラム28を実行することによって得られる。随意に代替手段として、トモグラフィ再構成のための他のアルゴリズム、例えば、フィルタレトロプロジェクション(filtered retroprojections)を加える方法または任意の既知の代数法を使用することができる。
図3に示されている例では、図1の装置10によって実施される図2の方法は、簡単のために、励起信号Eを放出する単一ソースSおよび単一音響センサDを適用される。
図3の左上部分では、ステップ100、102および104が標的Tのない環境12に適用される。得られる信号Rsはパルスの形の応答を有し、時刻tは以下の方法で検出される。この時刻は、パルス応答のゼロにおける通過に対応するものとして選ばれ、パルス応答は上ピークを有し、続いて下ピークを有する。図3に示されている特定の実験例では、時刻tは5.39*10−5秒に検出され、時刻の起点はtに選ばれる。音速v=1485m/秒の場合、SD≒8cmが導出される。実際には、実施されるのはむしろ逆計算である。例えば、ソースSとセンサDとの間のプリオリな距離SDが8cmであることが分かっているので、環境12内での音速1485m/秒での値は、t=5.39*10−5秒の検出の結果、導出される。
図3の右上部分では、ステップ100、102および104が標的Tの存在しない環境12に適用される。得られる信号Rsは依然としてパルスの形の応答を有し、時刻tは前と同じ方法で検出される。しかし、図示の例では、標的Tの光学不均一性および音響不均一性によって引き起こされるパルス応答は、このパルス応答がソースの光学不均一性よって引き起こされるパルス応答よりも振幅が極めて小さいので、見ることができない。
したがって、この例では、図3の左右の部分で得られた2つの信号Rsの間の引き算を進めることが有利である。具体的には、生体組織内の腫瘍を検出しその位置を特定する一適用例では、検査されるべき生体組織に対して取り込まれる信号から引くのに適している健全な組織に関する基準信号Rsを有していれば十分である。
いくつかの適用例では、環境相互間の光学特性および音響特性の差異に応じて、基準信号との引き算が必ずしも必要とはならないように、3つのパルス応答が同じ音響信号に見られる。しかしながら、この引き算は一般に、厚い生体組織を観察するための適用例には必要である。
図示の例では、前述した引き算の後、図3の下部に示されている信号Rsが得られる。時刻tおよびtにそれぞれ対応する2つのパルス応答は、このとき容易に目に見える。時刻tに対応する第1のパルス応答は、下ピーク、続いて上ピークを有し、下ピークと上ピークとの間のゼロでの通過が時刻tを決定する。図3に示されている特定の実験例では、時刻tは3.39*10−5秒において検出され、時刻の起点はtに選ばれる。音速v=1485m/秒の場合、TD≒5cmが導出される。時刻tに対応する第2のパルス応答は、上ピーク、続いて下ピークを有し、上ピークと下ピークとの間のゼロでの通過が時刻tを決定する。図3に示されている特定の実験例では、時刻tは6.07*10−5秒において検出され、時刻の起点はtに選ばれる。音速v=1485m/秒の場合、SD≒4cmが導出される。
最終的に、幾何学的再構成(面が考慮される場合、2つの球の交差が2つの円の交差になる)により、標的Tの位置特定は、場合により不確実性を伴って、2つの位置TとT’との間に識別される。上述のように、この不確実性は、例えば、T’が幾何学的に環境12の外側にあると解決することができる。
図4に示されているように、トモグラフィ再構成による画像適用例の場合、エミッタユニット14およびレシーバユニット16はそれぞれ複数のソースおよび複数の音響センサを備えることができる。観察される環境12は、例えば円盤の形をしており、複数のソースS1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8は、この円盤の周囲の円上に等間隔で分散される。同様に、複数の音響センサD1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8は、この円盤の周囲の円上に等間隔で分散され、ソース相互間に挿入される。エミッタユニット14/レシーバユニット16のこの構成のおかげで、これらの多数のソースおよびセンサを使用して、連続的な放出/受信が実施されることによって得られる標的Tの位置を使用して、標的Tが位置する環境12内の標的Tの画像の光音響トモグラフィ再構成を行うことができる。
本発明に従って位置特定する方法を統合するトモグラフィ再構成による画像方法の一例が図5に示されている。
ステップ200の間、連続的な放出/受信による1組の測定が、エミッタ14の光源およびレシーバ16の音響センサを使用して実施される。
ステップ200に続くステップ202の間、図2の方法のステップ100〜116が、環境12内の標的Tの正確な位置を提供するように、各放出/受信に対して実行される。
ステップ202に続くステップ204の間、環境12内の初期圧力の分布のためのCPinitマップが、エミッタ14の光源による環境12の照明のシミュレーションによって確立され、このシミュレーションは、本発明によれば、ステップ202で推定されるような標的Tの位置特定を統合する。
エミッタ14の光源、レシーバ16の音響センサ、および照らされた環境12の外部輪郭に関する幾何学的情報を使用して、標的Tを含むこの環境12の完全モデルがステップ206の間に確立される。随意により一般的には、このモデルを確立するために、プリオリな任意の情報(形態、普通の物理的または生理的パラメータ、など)を使用することができる。
ステップ200の間に行われた測定結果は、後続のステップ208の間に、ステップ206で確立されたモデルに関してシミュレートされる。
ステップ208の間にシミュレートされた測定結果は、ステップ210の間にステップ200の実際の測定結果と比較される。この比較は、誤差関数、例えば二次誤差を最小化することにより、それ自体が知られる態様で行われる。
後続の試験ステップ212の間、誤差関数は所定の閾値εと比較される。誤差関数がこの閾値より大きいままである場合、この方法は、初期圧力分布用のCPinitマップを改訂するステップ214に進む。そうでない場合、この方法は、標的Tの位置が正しく特定された環境12を表す画像を記録し、場合により表示するステップ216に進み、この画像は、ステップ206で確立されたモデルに基づいて定義される。
ステップ214の間、初期圧力分布用のCPinitマップの改訂は、誤差関数を最適化することにより、それ自体が知られる態様で行われる。このステップの終わりに、この方法は、以前に確立されたモデルを、ステップ214で改訂されたような初期圧力分布用のCPinitマップに従って更新するように、ステップ206で再開する。
上述したような位置を特定をする装置および方法は、光音響技術によって照らされた環境内の標的の位置をより効果的に特定することを可能にすることが明らかである。特に、提案される検出の原理は、環境内の標的の正確な位置特定、次いで表現に到達するために、異なる技術を組み合わせることを克服することを可能にする。検出の原理は、検出されるべき標的の光学不均一性だけでなく音響不均一性の特性もうまく利用することにより、放出された光励起に応答して受信される音響信号を最大限活用する。
結果は、生体組織内の腫瘍を検出するための医療用画像の分野で、特に納得のいくものである。さらに、医療用画像において、本発明による位置を特定する方法の適用は、他の従来技術におけるような造影剤の使用に適合する。
さらに、本発明は本明細書に上述した諸実施形態に限定されるものではないことに留意されたい。
特に、本明細書は、光音響収集技術の状況で、本発明の実施をより正確に網羅している。しかし、光音響収集技術の原理は、特に、環境内での電磁波の伝搬が音の伝搬に比べてずっと速いという仮定が、熱音響技術でも実証されているため、当業者によって、簡単にかつそれ自体が知られる態様で、熱音響収集技術に適応できることが一目瞭然である。
実際、熱音響技術は、光音響収集技術のように、電磁波エミッタおよび音響レシーバを使用している。これらの2つの技術を主に区別しているものは、放出波長に応じて観察される環境の使用される拡散特性または回折特性である。放出波長が環境内で拡散現象を発生させた場合、これは、該当する放射伝達方程式(RTE方程式と呼ばれる)であり、光音響技術で使用されるものである。放出波長が環境内で回折現象を発生させた場合、これは、適用されるマクスウェル方程式であり、熱音響技術で使用されるものである。拡散現象または回折現象を発生させることは、放出波長に関して観察される環境の構成要素のサイズの問題である。したがって、例えば、生体組織からなる環境を観察することが所望される場合、光音響技術は、この場合は環境が拡散しているので、エミッタが可視光および近赤外光スペクトルの波を放出する場合に該当し、熱音響技術は、この場合は環境が回折しているので、エミッタがマイクロ波を放出する場合に該当する。透明な既製材料からなる環境を観察することが所望される場合、熱音響技術は、この場合は環境が回折しているので、エミッタが可視光スペクトルの波を放出する場合に該当する。
より正確には、本明細書において先に詳述した熱音響技術のための教示の置き換えは、下記考慮事項に基づいて行われる。
−観察されるべき環境は回折しているが、拡散してはいない、
−励起信号の放出に関して、波長の正しい範囲、例えば、生体組織を検査するためのマイクロ波の範囲、および透明材料を検査するための可視光波の範囲は、熱音響技術に使用され得る回折現象を発生させるように観察される環境の性質に応じて考慮されなければならない、
−電磁的コントラストは、伝搬方程式だけが変化するような態様で、観察される環境の誘電率定数および導電率定数の実部および虚部の変化による、誘電特性の局所変化を伴う、
−初期圧力分布用のマップを支配する方程式は、マクスウェル方程式であり、RTE放射伝達方程式ではない。
より一般的には、ちょうど開示されている教示に照らして、上述した諸実施形態に種々の修正を加えることができることが当業者には明らかであろう。以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、特許請求の範囲を本明細書に開示される諸実施形態に限定するものと解釈されるべきでなく、特許請求の範囲がそれの構築のために網羅することを目的とする同等物のすべてを特許請求の範囲に含めると解釈されるべきであり、同等物に対する予知は、一般知識をちょうど開示されている教示の実施に適用することにより当業者の範囲内にある。



  1. 電磁的吸収性環境(12)内の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、
    少なくとも1つのソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)から、少なくとも1つの電磁励起信号(E)を放出するステップ(100)と、
    前記励起信号(E)の前記放出から生じる音響信号(R)を、少なくとも1つの音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)で受信するステップ(102)と、
    前記音響センサで受信された前記音響信号で、前記励起信号に対する第1の応答の第1の受信時刻(t)を検出するステップ(106)であって、前記第1の応答が、前記環境(12)内の前記標的(T)の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じる、ステップ(106)と、
    前記第1の受信時刻(t)を使用して前記標的(T)と前記音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)との間の第1の距離(TD)を推定するステップ(110)と
    を含む方法において、
    前記音響センサで受信された前記音響信号で、前記励起信号に対する第2の応答の第2の受信時刻(t)を検出するステップ(108)であって、前記第2の応答が、前記環境(12)内の前記標的(T)の音響異種性によって引き起こされる音響じょう乱から生じる、ステップ(108)と、
    前記第2の受信時刻(t)を使用して前記ソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)と前記標的(T)との間の第2の距離(ST)を推定するステップ(112、114)と、
    前記第1の推定距離(TD)および前記第2の推定距離(ST)から前記標的(T)の位置を得るステップ(116)と
    をさらに含むことを特徴とする、方法。

  2. 請求項1に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、
    前記標的(T)と前記音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)との間の前記第1の距離(TD)を推定する前記ステップ(110)が、前記標的(T)と前記音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)との間の前記第1の応答の第1の飛行時間に、前記環境(12)内での音波速度の所定の値を乗算することによって行われ、
    前記第1の飛行時間が、前記励起信号(E)の放出時刻と前記第1の受信時刻(t)との間の経過時間であるものとして推定される、方法。

  3. 請求項2に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、
    前記ソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)と前記標的(T)との間の前記距離(ST)の前記推定ステップ(112、114)が、前記ソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)と前記標的(T)との間の前記第2の応答の第2の飛行時間に、前記環境(12)内での前記音波速度の前記所定の値を乗算することによって行われ、
    前記第2の飛行時間が、一方の、前記励起信号(E)の放出時刻と前記第2の受信時刻(t)との間の経過時間と、他方の前記第1の飛行時間と、の間の差であるものとして推定される、方法。

  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、三次元空間内の前記標的(T)の位置(116)が2つの球の交差によって得られ、前記第1の球が、前記音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)を中心として有し、前記第1の距離(TD)を半径として有し、前記第2の球が、前記ソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)を中心として有し、前記第2の距離(ST)を半径として有する、方法。

  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、前記放出される励起信号(E)が、変調された周波数および/または強度を有する光源から来る光信号であり、前記励起信号(E)に対する前記2つの応答が、前記環境(12)内の前記標的(T)の二重の光学および音響異種性によって引き起こされた2つの音響じょう乱から生じるパルス応答である、方法。

  6. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、
    前記標的(T)がある前記環境(12)の周囲に分散された複数のソース(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)から電磁励起信号(E)を放出するステップ(100)と、
    前記励起信号(E)の前記放出から生じる音響信号(R)を、前記標的(T)がある前記環境(12)の周囲に分散された複数の音響センサ(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)で受信するステップ(102)と、
    前記標的(T)の得られた位置(116)を使用して、前記標的(T)がある前記環境(12)内の前記標的(T)の画像をトモグラフィ再構成するステップ(216)と
    を含む方法。

  7. 請求項6に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法であって、前記ソース(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)および前記音響センサ(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)が、前記標的(T)がある前記環境(12)の周囲の円上に等間隔で分散される、方法。

  8. 生体組織(12)内の腫瘍(T)を検出し位置特定するための、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法の適用。

  9. 通信ネットワークからダウンロードされ、かつ/またはコンピュータ(20)で読み取ることができかつ/またはプロセッサ(22)で実行することができるサポート(24)上に記録される得るコンピュータプログラム(26、28)において、前記プログラムがコンピュータ上で実行されるときに、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定する方法の前記ステップを実行するための命令を含むことを特徴とする、コンピュータプログラム(26、28)。

  10. 電磁的吸収性環境(12)内の少なくとも1つの標的(T)の位置を特定するための装置(10)であって、
    少なくとも1つの電磁励起信号(E)を放出するための少なくとも1つのソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)と、
    前記励起信号(E)の前記放出から生じる音響信号(R)の少なくとも1つの音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)と、
    前記音響センサで受信された前記音響信号で、前記励起信号に対する第1の応答の第1の受信時刻(t)を検出し、前記第1の応答が、前記環境(12)内の前記標的(T)の電磁異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じるものであり、前記第1の受信時刻(t)を使用して前記標的(T)と前記音響センサ(D;D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)との間の第1の距離(TD)を推定するように設計された計算機(20)と
    を備える装置(10)において、
    前記計算機(20)が、さらに
    前記音響センサで受信された前記音響信号で、前記励起信号に対する第2の応答の第2の受信時刻(t)を検出し、前記第2の応答が、前記環境(12)内の前記標的(T)の音響異種性によって引き起こされた音響じょう乱から生じるものであり、
    前記第2の受信時刻(t)を使用して前記ソース(S;S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)と前記標的(T)との間の第2の距離(ST)を推定し、
    前記第1の推定距離(TD)および前記第2の推定距離(ST)から前記標的(T)の位置特定を行う
    ように設計されることを特徴とする、装置(10)。

 

 

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【選択図】図1
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